您的设计何时适合采用绝对值编码器?

2018年3月20日 作者:Jeff Smoot

您的设计何时适合采用绝对值编码器?

您在测量旋转轴的速度、运动方向或位置时,可能需要使用旋转编码器。选择旋转编码器时,主要考虑两种类型:增量编码器绝对值编码器

做出正确的选择很重要,所以我们在绝对值编码器中随附这份简短指南,以帮助您了解绝对值编码器是什么,它们与增量编码器有何区别以及您可能需要使用它的情形。

什么是绝对值编码器?

绝对值编码器在代表编码器“绝对”位置的每个旋转点提供一个唯一的位置值或数据字。绝对值编码器一经开启,就能告知其测量的旋转轴的确切位置。它通过使用光学、磁性或电容式传感器读取与轴一起旋转的码盘上的唯一代码。最重要的是,绝对值编码器无需转动轴即可完成此操作,即使在暂时断电的情况下也可以跟踪此位置。编码器码盘上的唯一代码数量越多,您的位置读数就越精确。

典型光学和电容式编码器码盘对比图
光学和电容式编码器码盘对比

分辨率以位(二进制数字)表示,对应的是一次旋转中唯一数据字的数量。绝对值编码器有单圈型和多圈型之分。单圈编码器在轴旋转一整圈(360°)后提供定位数据,轴每旋转一圈就重复输出一次数据。多圈编码器也在旋转一周后提供定位数据,但额外配有“圈数”计数器,用于测量旋转圈数。

绝对值编码器对比增量编码器

相反,增量编码器通过在轴旋转时产生脉冲进行工作。典型的增量编码器会产生偏离相位90度的2方波。这些脉冲必须由编码器外部的电子设备进行跟踪或计数。

牵引典型增量编码器的波形偏离相位90度。
典型增量编码器的波形偏离相位90°

分辨率由每转一圈的脉冲数(PPR)表示,代表增量编码器将从其任一方波输出获得的高脉冲数。如需了解有关编码器PPR的更多信息,请查看我们关于该主题的博客文章

由于增量编码器的输出只是4种重复状态中的1种,编码器必须参照已知的固定位置或“原点”以提供有意义的定位信息。对照原点位置(往往与编码器的指数脉冲对齐),然后可以跟踪轴的旋转增量变化,并且可以知道轴的绝对位置。每次开启增量编码器,或在发生暂时断电时,都必须这样做。因此,获取绝对位置读数所需时间较长,并且轴必需旋转起来方可提供该读数。

增量编码器没有绝对值编码器复杂,因而价格通常便宜一些,但是两者的价差正在缩小。如果只需监测速度、运动方向或相对位置,增量编码器通常是最好的选择,但是如果您主要关注绝对位置,绝对值编码器才是可行之道。

为什么选择绝对值编码器,而不是增量编码器?

首先,因为绝对值编码器会锁定轴的位置,编码器通电后,您就能立即获知这一位置。无需等待归位或校准序列完成,即使在编码器关闭时轴被转动,旋转轴也可以在启动时或断电后更快获取所需的位置数据。

在许多系统中,了解启动时的绝对位置至关重要,在某些位置,继续沿一个方向旋转轴很安全,但是反向旋转就不安全了。出现这种错误可能会导致设备损坏、人身伤害或更糟糕的后果,具体取决于应用。在此类情况下,在任何零件移动之前,都务必要知道旋转装置的确切位置。

同样重要的是,绝对值编码器可实时提供确切位置。随着越来越多的系统通过连接到中央通信总线而实现数字化,必要时能够以最短的延迟时间轮询编码器的实时位置,这会非常有利。为了使用增量编码器跟踪您的位置,即使在归位序列之后,您也需要使用外部电路(通常通过正交解码)跟踪所有脉冲。除了所需的外部电路之外,这也意味着确定位置会有一些延迟。

图表显示了绝对值编码器规定分辨率中为每个位置生成的唯一数字“字”
绝对值编码器以其规定的分辨率为每个位置生成一个独特的数码“字符”

绝对值编码器还有其他优点。执行绝对值编码器的系统通常不易受电气噪声的影响,因为它们通过从二进制编码器读取错误检查代码获取位置或通过串行总线来获取数字化位置,而不需要像增量编码器那样去对脉冲计数。

与此关联的事实是,在同一系统中组合多个绝对值编码器相对简单,可用于工厂自动化或有多个关节的机械臂。如果使用增量编码器,监控多个设备的输出可能会非常复杂,需要大量的处理能力。但对于绝对值编码器,尤其是那些可以链接到中央通信总线的编码器,您可以单独获取每个编码器的数据,而且只需更少的处理能力即可解读读数。

绝对值编码器应用

在阐述了绝对值编码器和增量编码器之间的关键区别后,让我们简单地看一下使用绝对值编码器的具体情景。

其中的一个重要市场就是机器人 —— 一个覆盖各行各业的快速扩展领域。在制造业中,您会发现用于装配、焊接、喷漆和其他任务的机械臂。您还会在医疗保健行业发现它们的身影:例如,远程手术需要机械臂提供大量非常精确的位置信息。家用辅助机器人是绝对值编码器的另一个新兴用例。

然而,这只是一个领域,随着越来越多的系统实现数字化以及增量编码器和绝对值编码器之间的价差逐渐缩小,绝对值编码器在工业和消费类市场的应用变得无处不在。从自动门和相机万向架到工厂自动化,绝对值编码器日益成为一种高效经济的定位方式。

您的绝对值编码器选择

为您的产品设计选择正确的编码器类型至关重要,因而务必要了解增量编码器和绝对值编码器之间的关键差异。随着价格差距的缩小和技术的不断变化,绝对值编码器与增量编码器相比,具有许多独特的优势,从而成为满足您的位置反馈要求的魅力首选。

有用资源

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Jeff Smoot

Jeff Smoot

应用工程和运动控制副总裁

自从于 2004 年加入 CUI 以来,Jeff Smoot 重振了公司的质量和工程部门,重点从事开发、支持工作,并将产品推向市场。他着重推动客户取得成功,还率先成立了一个应用工程团队,在设计过程中向工程师提供更有力的现场和在线工程设计和技术支持。下班后,Jeff喜欢参加户外运动(滑雪、背包旅行、露营),陪伴他的妻子和四个孩子,而且他还是丹佛野马(Denver Broncos)橄榄球队的铁杆粉丝。

 
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